污水处理厂污泥好氧堆肥发酵技术的试验研究
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
污水厂污泥是指水处理过程中产生的絮状体，它含有大量水分、丰富的有机物
及氮、磷、钾等营养元素，同时还含有重金属及病原菌等有害物质，如果任意排
放不加处理，不仅对环境造成污染，同时也是对资源的严重浪费[1]。据不完全统计，
目前我国年产污泥 107t(以干物质计)[2]，而污泥处理却严重滞后，在我国目前仅有
的几十座污泥消化池中能正常运行的为数不多，有些根本没运行。如果这些污泥
还使用传统的处置方法(如土地填埋、焚烧和海洋排放等) 进行处理，相对于当今
更加严格化的环境标准，显然是不合适的；同时，由于污泥含有大量的水分（75%～
99%)，大量的病原菌和寄生虫（卵）、有害的有机污染物、重金属等有害成分，且
有恶臭，易腐烂。如果不及时处置，极易造成二次污染。另一方面，随着资源短
缺危机的加剧，人们不得不寻找新的资源，污泥由于其有机物、营养元素含量高
而受到越来越多的关注。污泥中含有能促进植物生长的氮、磷、钾及钙、硫、铁、
镁、硼等植物生长所必需的矿质元素，所以污泥又是很好的肥料和土壤改良剂。
能否将污泥科学有效地利用，既能利用其有益组分，又能抑制其有害组分特别是
其中的重金属组分，是我国乃至全世界环境界都在关注的重大研究课题之一[3]。
§1.1 污泥的来源与组成
（1）来源
污泥是废水处理过程中产生的沉淀物质，它包括混入生活污水或工矿废水中
的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、各种胶体、有机质及
吸附的金属元素、微生物、病菌、虫卵等物质的综合固体物质，它主要由初沉污
泥、剩余活性污泥构成。初沉污泥是进入污水厂的悬浮物，在初沉池中大约 50%
的悬浮物成为初沉污泥被去除，初沉污泥极易腐烂变臭，含水率一般为 96%。以传
统活性污泥法为代表的污水二级处理工艺中，绝大部分有机物可以使微生物增殖，
产生过剩的微生物称为剩余污泥。另外，生物除磷工艺是通过排除富含磷的剩余
污泥来实现的，必然要产生大量的剩余活性污泥。
（2）组成
一级或二级城市污水处理厂产生的污泥一般含有植物营养物质、金属元素和
有机物，其中的有用物质为植物营养物质(氮、磷和钾)、有机物及水等，有害物
质则包括寄生虫卵、致病微生物、合成有机物及重金属等。城市污水污泥中的有
机成分与一个城市的工业化程度有关，而化学污泥的组成主要取决于工业生产的
类型。
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§1.2 固体废弃物污染控制的技术政策
《固体废物污染环境防治法》中，首先确立了对固体废弃物污染防治的“三化”
管理原则，即固体废弃物污染防治的“减量化、资源化、无害化”原则。
（1）减量化
减量化是指减少固体废物的生产量和排放量。如果能够采取措施，最小限度
地产生和排放固体废物，就可以从“源头”上直接减少或减轻固体废物对环境和
人体健康的危害，可以最大限度地合理开发利用资源和能源。减量化的要求，不
只是减少固体废物的数量和减少其体积，还包括尽可能地减少其种类、降低危险
废物的有害成分的浓度、减轻或清除其危险特性等。减量化是对固体废物的数量、
体积、种类、有害性质的全面管理，开展清洁生产。因此减量化是防止固体废物
污染环境的优先措施。就国家而言，应当改变粗放经营的发展模式，鼓励和支持
开展清洁生产，开发和推广先进的生产技术和设备，充分合理地利用原材料、能
源和其他资源。
（2）资源化
资源化指采取管理和工艺措施从固体废物中回收物质和能源，加速物质和能源
的循环，创造经济价值的广泛的技术方法。从便于固体废物管理的观点来说，资
源化的定义包括以下三个范畴:（1）物质回收，即处理废物并从中回收指定的二
次物质；（2）物质转换，即利用废物制取新形态的物质，如利用污泥堆肥等；（3）
能量转换，即从废物处理中回收能量，作为热能或电能。
（3）无害化
无害化是指对已生产又无法或暂时尚不能综合利用的固体废物，经过物理化学
或生物方法，进行对环境无害或低危害的安全处理、处置，达到废物的消解、解
毒或稳定化，以防止并减少固体废物的污染危害。
目前，固体废物“无害化”处理工程已经发展成为一项崭新的工程技术，如垃
圾的焚烧、卫生填埋、堆肥、粪便的厌氧发酵、有害废物的热处理和解毒处理等。
§1.3 污泥处置的主要方式
污泥的处理与处置是污水处理的重要组成部分。污水处理厂的污泥一般来自初
沉池的初沉污泥及二沉池剩余污泥。污泥处置的主要方式有 4 种，分别为农用、
填埋、填海和焚烧，表 1-1 所示上世纪九十年代西欧、美国和英国的各种污泥处
置的比例[4]。
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处置方法/%
西欧
美国
英国
农用
30
30
42
填埋
45
24
8
填海
18
19
30
焚烧
7
21
7
通常情况下污泥的处置方式多为脱水后填埋，在有条件情况下也可采用焚烧，
由于污泥焚烧需耗大量能源，焚烧会产生二噁英等有毒有害气体[5]，因此在实际中
很少采用。填埋、填海和焚烧这三种污泥处置方式由于环境压力和费用昂贵，人
们已逐渐减少或者禁止使用，而把污泥作为资源的土地利用则逐渐为人们所重视。
由于污泥含水量高，易腐烂有恶臭，不便于储存和运输；且含有大量的病原菌和
寄生虫（卵）、重金属等有害物质，威胁生态环境安全。因此，污泥在土地利用前
进行稳定化处理是必要的。污泥稳定化方法有很多，包括需氧消化处理，厌氧消
化处理，生石灰水处理，氯气处理和堆肥化处理等，其中堆肥化处理后将污泥制
成肥料，具有经济，简便，可资源化的优点，对于我国这样一个拥有相当大的中
低产土壤面积的农业大国，具有重要的现实意义。
污水处理厂的脱水污泥虽经过多种处理，但若直接施用于农田，也会产生较多
的危害。
（1）因分解性较好的有机物，能在土壤中较快地分解，同时产生有机物及 H2S、
NH3、CO2、NO2等有害气体，对周边环境及农作物构成危害；
（2）因脱水污泥中含有病原性微生物、寄生虫卵、杂草种子等有害生物，构成
对土壤的各种危害；
（3）因污泥粘着性强，易于粘着、板结，不利于耕作；
（4）易发生强烈的恶臭气味；
（5）感观上有不卫生、污染物感。特别是污泥中含有的一些有机、有毒物质会
破坏土壤结构或毒害作物。
无机有害物质可分为两部分:一部分为水溶性的，可被作物吸收；另一部分为
非水溶性的，不易被作物吸收。微量重金属离子，对于动植物而言虽都必不可少，
但高浓度重金属离子对动植物都会产生毒害作用。
污泥堆肥是城市生活污水处理产生的污泥堆肥化产物，也就是将污泥进行稳定
处理。堆肥化就是在人工控制下，在一定的水分、C/N 比和通风条件，通过微生物
的作用，把有机废弃物转化成类腐殖质的过程，实质上是利用污泥中的好氧微生
物进行好氧发酵的过程。将污泥按一定比例与各种秸秆、稻草、锯末、树叶等植
表 1-1 各种污泥处置比例
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物残体，或者与草炭、粉煤灰、生活垃圾等混合，借助于混合微生物群落，在潮
湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质，由此产生的堆
肥产品可以有效地用作土壤改良剂和肥料。在堆肥化过程中，有机物由不稳定转
化为稳定的腐殖质物质，因此对环境，尤其对土壤环境不构成危害。有研究表明，
经过堆肥化处理的污泥质地疏松，阳离子交换量(CEC)显著增加，污泥容重减少，
可被植物利用的营养成分增加，病原菌和寄生虫卵几乎全被杀灭。通过堆肥化可
以:
（1）消除臭味，杀死病原菌和寄生虫(卵)；
（2）降解了大多数毒性有机物。赵丽君等[6]发现消化污泥中存在有氯苯类，邻
苯二甲酸酯类和苯系物等大类 14 种有机物，经过堆肥化之后，各种毒性有机物的
降解率均在 60%以上，部分去除率达到 100%。
（3）由于生物降解作用，植物养分形态更有利于植物吸收。
（4）物理性状也大为改善，质地疏松，含水率低于 40%，可以用于商品出售。
（5）由于在堆肥化过程中，伴随着有机物的分解和腐熟物质的形成，堆肥的材
料在体积和重量上也在发生明显的变化。通常由于碳素等挥发性成分分解转化，
重量上减少约 1/2，体积上减小 1/2 左右。
§1.4 污泥堆肥的土地利用现状
污泥既含有有用物质，又含有有害物质，将其直接进行土地利用会造成污染，
因此，污泥的堆肥处理逐渐得到广泛应用。堆肥过程中可以使重金属的形态发生
变化，水浸渍态重金属的含量减小，而交换态和有机结合态增加，残渣态所占比
例还较大。同时使有机污染物降解，达到农用标准[7]。污泥堆肥的土地利用包括农
田、林地、垦荒地、育苗、观赏植物、草皮、草地、公园、高速公路绿化带和高
尔夫球场，以及尾矿堆、采石场、露天矿坑的固定及用于恢复植被等。但被广泛
采用的利用方式主要为园林绿地利用和农田耕地利用。
§1.4.1 园林绿地中的利用
污泥堆肥用于城市园林绿地，避开了食物链，减少了运输费用，为城市园林
绿地提供了可观的有机肥。许多学者研究表明，污泥堆肥作为草坪基质能明显提
高黑麦草的地上和地下生物量的叶绿素含量；绿色期延长，促进植物叶片对氮的
吸收，提高草坪的质量，而且草坪土壤理化性质有明显改善[8]。研究发现，施用污
泥堆肥的草坪土壤的吸热、吸水与保水、保温能力增大，使草坪草的发芽率比普
通肥料处理的高，同时，还可使草皮单位面积重量减轻 36%。另外，薛澄泽等[9]还
研究了污泥堆肥施用于高速公路绿化带以后对植物生长的影响。由于高速公路绿
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化带土壤多为生土，植物难以良好生长，施用堆肥污泥后，可使土中含植物养分
及大量有机质，具有肥田及改土作用。结果表明，植物生长情况良好，污泥堆肥
具有明显的后效。
§1.4.2 施用于农田土壤
由于农田的连续耕作，植物根系对矿物质的不断获取，土壤中有机质和矿物
质元素都很缺乏。污泥堆肥施入土壤后，能改变土壤的理化性质，增加土壤氮、
磷、钾含量，调节土壤 pH 值，促进团粒结构的形成，使土壤透水性、蓄水保肥性、
通气性及耕作性都有改善。这是因为污泥堆肥本身密度小，既能增加土壤的孔隙
度以显著减少土壤的容重，又可增加土壤总的孔隙容积，并改善孔隙大小的分布，
减少土壤地面冲刷，减少田间径流引起的植物养分损失，增加土壤的持水能力，
从而提高土壤水分含量，还可增加土壤的透水性及防止土壤表面板结。施用污泥
堆肥能改良土壤结构，使土壤疏松，给土壤水分和空气以快速进出的通道。粘重
的土壤施入堆肥污泥后，可有利于团粒的形成及提高团粒的水稳性。
陈同斌等[10]通过盆栽试验表明，城市污泥堆肥不仅可以明显提高栽培基质的有
效氮、磷含量，而且可以增强栽培基质的保水性能和植物的抗旱能力，但是，栽
培基质的萎焉点也随着其用量的增加而增高。据报道，污泥堆肥中有机物含量明
显减少，不会导致农作物中有机污染物的吸收累积。堆肥施用在使土壤中有机质、
各种养分含量增加，微生物活动增强、数量增加的同时，作物和土壤中的重金属
含量也有不同程度的提高。
§1.5 污泥堆肥应用过程中存在的问题及对策
利用污水处理厂污泥进行堆肥，即节约能源，又有效合理地利用资源，从而确
立了该项污泥处理工艺的重要地位。近年来，许多国家和地区利用污泥堆肥，将
其用于农田种植和园林绿化。虽然效果很好，但在污泥堆肥施用过程中还存在一
些污染问题。
§1.5.1 重金属的污染问题及对策
污泥堆肥含有一定量不同形态的重金属和盐分，施入土壤后，将引起土壤重金
属和盐分含量增加，直接危害植物生长或成为潜在的威胁。土壤中累积过多的重
金属，一旦进入食物链或地下水，还能造成新的环境问题。污泥中重金属主要有
铜、锌、铅、铬、镉、镍、汞等。由于污泥的来源和产生的时间不同，重金属含
量变化亦很大。
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研究表明，施用污泥堆肥后土壤和青菜中重金属积累量随着污泥施用量的增加
也呈积累趋势。添加量过大可使青菜地上部分重金属浓度超过国家标准。因此，
在污泥堆肥合理施用过程中，应进一步严格控制重金属及其在作物体中积累，尤
其控制可食用部分重金属浓度及污泥堆肥长期使用过程中的重金属在土壤中的积
累。
目前，对污泥堆肥中重金属的研究大部分为盆栽试验或短期农田试验，随污泥
中重金属含量的增加，作物中重金属含量也会增加，但由于进行试验的时间相对
较短，施用次数少，土壤中重金属浓度尚未达到使作物中的重金属含量超过有关
的食品标准，但土壤中过高的重金属含量也会造成其它危害，因此，对于重金属
含量较高的污泥的农用，仍是值得注意的问题，尤其用作蔬菜等进入食物链的作
物时，要严格控制污泥堆肥中重金属含量不能超过有关标准。因此，金属含量过
高的污泥在堆肥化过程中应有特殊的要求，在日本农林省制定的肥料法中，明确
规定了堆肥化肥料中有害物质的指标，超标即视为不可用作肥料，详见表 1-2[11]。
表 1-2 肥料中有害物质含量的限定
项目
总量分析（干物）
/(mg·kg-1)
溶解试验
/(mg·kg-1)
Cd
5
0.3
Pb
-
3
As
50
1.5
Cr6+
-
1.5
CN
-
1
Hg
2
0.005
有机 P
-
1
PCB
-
0.003
重金属含量过高的污泥堆肥应禁止在农田特别是蔬菜地使用，以防止重金属进
入食物链，这类污泥应选择用于林地和园林绿化。为减少重金属可能带来的危害，
可加入药剂调整堆肥污泥，降低重金属含量、迁移性及生物有效性;应避免连续大
量使用重金属含量高的污泥堆肥，造成土壤中重金属积累；同时，要严格执行农
用污泥堆肥中重金属含量限制标准。
§1.5.2 氮素损失问题和对策
随着环境保护法规越来越严格，堆肥作为一种有效的有机废物资源化技术正在
引起人们越来越多的兴趣。污泥可以作为肥料应用于农业，虽然与化学肥料相比，
其中氮、磷、钾含量偏低，但有机物含量高肥效持续时间长，可以改善土壤结构，
可以有效合理地解决污泥的出路，保护环境、节省资源，发挥良好的经济效益，
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
